(57)【要約】【課題】プラズマに投入される電力を測定する。【解決手段】真空管２１への冷却水の温度を検出する検出器２５、真空管２１からの冷却水の温度を検出する検出器２６、冷却水の昇温度値を算出する算出器２８，真空管２１の冷却に使用された冷却水量を検出する流量計２７、昇温度値と水量の積を算出する掛算器２９、誘導コイル３１への冷却水の温度を検出する検出器３４、誘導コイル３１からの冷却水の温度を検出する検出器３５、冷却水の昇温度値を算出する算出器３７、誘導コイルの冷却に使用された冷却水量を検出する流量計３６、昇温度値と水量の積を算出する掛算器３８、前記各積の和を算出する加算器３９、真空管２１の直流電力から加算器３９の出力を差引いた値を出力する減算器４３を備えている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定方法であって、プラズマへの投入電力を、高周波発振機に必要な直流電力から高周波発振機の損失と誘導コイルの損失を差し引くことによって求めたプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項２】
冷却水による高周波発振機の冷却によって冷却水が昇温した温度とその冷却水量の積に基づいて高周波発振機の損失を求め、冷却水による誘導コイルの冷却によって冷却水が昇温した温度とその冷却水量の積に基づいて誘導コイルの損失を求めた請求項１記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項３】
求めたプラズマへの投入電力を表示するようにした請求項１記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項４】
誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定方法であって、次の工程を備えたプラズマへの投入電力測定方法。
（１）高周波発振機を冷やすために導入される冷却水の温度と高周波発振機電力の冷却に使われた冷却水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する。
（２）高周波発振機の冷却に使用された冷却水量を検出する。
（３）（１）の工程で算出された冷却水の昇温度値と（２）の工程で検出された冷却水量の積を算出する。
（４）誘導コイルを冷やすために導入される冷却水の温度と誘導コイルの冷却に使われた冷却水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する。
（５）誘導コイルの冷却に使用された冷却水量を検出する。
（６）（４）の工程で算出された冷却水の昇温度値と（５）の工程で検出された冷却水量の積を算出する。
（７）（３）と（６）の工程で算出された各積の和を算出する。
（８）高周波発振機に必要な直流電力から（７）の工程で算出された和を差し引いた値を出力する。
【請求項５】
（８）の工程で出力された値を表示するようにした請求項４記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項６】
高周波発振機は真空管である請求項１若しくは４記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項７】
真空管は冷却容器に収容されており、冷却容器に設けた冷却水導入路中の冷却水の温度と冷却容器に設けた冷却水排水路中の冷却水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する様にした請求項６記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項８】
誘導コイルを管状に成し、その管内に冷却水を流すための冷却水導入路中の冷却水の温度と、管内からの冷却水を排出するための冷却水排出路中の冷却水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する様に請求項１若しくは４記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項９】
高周波発振機に必要な直流電力は高周波発振機の陽極電圧と陽極電流の積から求められている請求項１若しくは４記載のプラズマへの投入電力測定方法。
【請求項１０】
誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定システムあって、次の手段を備えたプラズマへの投入電力測定システム。
（１）高周波発振機に必要な直流電力を求める手段。
（２）高周波発振機の損失を求める手段。
（３）誘導コイルの損失を求める手段。
（４）高周波発振機の出力電力から高周波発振機の損失と誘導コイルの損失を差し引いてプラズマへの投入電力を求める手段。
【請求項１１】
高周波発振機の損失を求める手段は、冷却水による高周波発振機の冷却によって冷却水が昇温した温度とその冷却水量の積を求める手段を備え、誘導コイルの損失を求める手段は、冷却水による誘導コイルの冷却によって冷却水が昇温した温度とその冷却水量の積を求める手段を備えている請求項１０記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【請求項１２】
求めたプラズマへの投入電力を表示する手段を備えた請求項１０記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【請求項１３】
誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定システムあって、次の手段を備えたプラズマへの投入電力測定システム。
（１）高周波発振機を冷やすために導入される冷却水の温度を検出する検出器
（２）高周波発振機電力の冷却に使われた冷却水の温度を検出する検出器
（３）（１）及び（２）の検出器で検出された各検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する算出器
（４）高周波発振機の冷却に使用された冷却水量を検出する流量計
（５）（３）の算出器で算出された冷却水の昇温度値と（４）の流量計で検出された冷却水量の積を算出する掛算器
（６）誘導コイルを冷やすために導入される冷却水の温度を検出する検出器
（７）誘導コイルの冷却に使われた冷却水の温度を検出する検出器
（８）（６）と（７）の検出器で検出された各検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する算出器
（９）誘導コイルの冷却に使用された冷却水量を検出する流量計
（１０）（８）の算出器で算出された冷却水の昇温度値と（９）の流量計で検出された冷却水量の積を算出する掛算器
（１１）（５）と（１０）の掛算器で算出された各積の和を算出する加算器
（１２）高周波発振機に必要な直流力電力から（１１）の加算器で算出された和を差し引いた値を出力する減算器
【請求項１４】
（１２）の減算器の出力値を表示する表示器を設けた請求項１３記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【請求項１５】
高周波発振機は真空管である請求項１０若しくは１３記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【請求項１６】
真空管は冷却容器に収容されており、冷却容器に設けられた冷却水導入路と冷却水排出路それぞれの冷却水の温度を検出する検出器を設けた請求項１５記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【請求項１７】
誘導コイルを管状に成し、その管内の一方の端部と他方の端部にそれぞれ冷却水を流すための冷却水導入路と、管内からの冷却水を排出するための冷却水排出路が設けられており、冷却水導入路と冷却水排出路にそれぞれ冷却水の温度温度を検出する検出器を設けた請求項１０若しくは１３記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【請求項１８】
高周波発振機に必要な直流電力は高周波発振機の陽極電圧と陽極電流の積から求められている請求項１０若しくは１３記載のプラズマへの投入電力測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、誘導コイルに高周波を供給して発生させたプラズマに投入されている電力の測定方法及び電力の測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、外周に誘導コイルを巻いた石英管等から成るトーチ内にアルゴンの如きプラズマ用ガスを流し、誘導コイルに高周波を供給すると、トーチ内でガスが電離してプラズマが発生する。
【０００３】
この様な高周波誘導プラズマ発生装置は、例えば、成膜装置や物質の分解装置等に応用されている。成膜装置を例に上げると、トーチ下に、例えば、チャンバー等を設け、トーチ上部から導入した粉末を誘導プラズマにより溶融或いは蒸発させ、チャンバー内に設けられた基板上に成膜している。
【０００４】
さて、この様な成膜装置等では、例えば、高周波発振機に必要な直流電力と成膜（成膜量や膜質等）の関係等は分かるが、プラズマに実際に投入されている電力と成膜等の関係については分からないままであった。しかし、高周波発振機に必要な直流電力と成膜量や膜質等の関係に比べ、実際にプラズマに投入される電力と成膜量や膜質等の関係を知ることの方が、成膜量のコントロールや膜質の向上等を行うのに重要と考えられる。
【特許文献１】
特開平２−２６７２５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
さて、プラズマに投入されている電力を測定しようとした場合、次の方法が考えられる。
【０００６】
図１は、トーチ内にプラズマガスを流し、誘導コイルに高周波を供給して、トーチ内にプラズマを発生させた時の等価回路を示す。
【０００７】
図中１は高周波電源、２はトーチ３に巻かれた誘導コイル、Ｒｗｃは誘導コイル２に高周波を流した時に生じる高周波抵抗、Ｒｐは発生したプラズマの抵抗分、４は共振用整合コンデンサである。
【０００８】
例えば、オシロスコープと電圧・電流プローブを用い、誘導コイル２の両端の電圧と誘導コイルに流れる電流及び、電圧と電流の位相差θを測定する。
【０００９】
この時、電圧波形をＶｍｓｉｎωｔ、電流波形をＩｍｓｉｎ（ωｔ−θ）とすれば、交流電力Ｐは、ＶＩｃｏｓθ（Ｖ，ＩはそれぞれＶｍ，Ｉｍの実効値）で、この電力Ｐは、誘導コイル２の高周波抵抗Ｒｗｃとプラズマの抵抗分Ｒｐで消費される。従って、プラズマに投入されている電力、即ち、プラズマ抵抗分Ｒｐで消費される電力分を求めるには、上記交流電力Ｐから誘導コイル２の高周波抵抗Ｒｗｃで消費される電力分（Ｒｗｃ×Ｉ２）を差し引けばよい。
【００１０】
この場合、電力Ｐは電圧Ｖと電流Ｉと位相差θとから求められ、高周波抵抗Ｒｗｃによる電力分（Ｒｗｃ×Ｉ２）は高周波抵抗Ｒｗｃと電流Ｉとから求められる。
【００１１】
しかし、高周波抵抗Ｒｗｃを求めるのは困難である。何故なら、高周波抵抗Ｒｗｃは、誘導コイル２の抵抗率をρ、誘導コイル２の断面の内、電流が流れる部分の面積をＳ、誘導コイルの長さをｌとすると、ρ（ｌ／Ｓ）で表されるが、誘導コイル２に流れる高周波電流は誘導コイル２の表面しか流れず、しかも、コイル２に囲まれた部分に発生している誘導プラズマに対向している部分に集中して流れるので、電流が流れる部分の面積Ｓを算出することが極めて困難なためである。
【００１２】
従って、上記方法ではプラズマに実際に投入されている電力を測定することは極めて難しい。
【００１３】
本発明は、この様な問題点を解決する為になされたもので、新規な電力の測定方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく電力測定方法は、誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定方法であって、プラズマへの投入電力を、高周波発振機に必要な直流電力から高周波発振機の損失と誘導コイルの損失を差し引くことによって求めたことを特徴とする。
【００１５】
本発明に基づく電力測定方法は、誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定方法であって、次の工程を備えたことを特徴とする。
【００１６】
（１）高周波発振機を冷やすために導入される冷却水の温度と高周波発振機電力の冷却に使われた冷却水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する。
（２）高周波発振機の冷却に使用された冷却水量を検出する。
（３）（１）の工程で算出された冷却水の昇温度値と（２）の工程で検出された冷却水量の積を算出する。
（４）誘導コイルを冷やすために導入される冷却水の温度と誘導コイルの冷却に使われた冷却水の温度をそれぞれ検出し、これらの検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する。
（５）誘導コイルの冷却に使用された冷却水量を検出する。
（６）（４）の工程で算出された冷却水の昇温度値と（５）の工程で検出された冷却水量の積を算出する。
（７）（３）と（６）の工程で算出された各積の和を算出する。
（８）高周波発振機に必要な直流電力から（７）の工程で算出された和を差し引いた値を出力する。。
【００１７】
本発明に基づく電力測定システムは、誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定システムあって、次の手段を備えたことを特徴とする。
【００１８】
（１）高周波発振機の出力電力を求める手段。
【００１９】
（２）高周波発振機の損失を求める手段。
【００２０】
（３）誘導コイルの損失を求める手段。
【００２１】
（４）高周波発振機に必要な直流電力から高周波発振機の損失と誘導コイルの損失を差し引いてプラズマ投入電力を求める手段
本発明に基づく電力測定システムは、誘導コイルが存在する閉空間にプラズマ発生用ガスを導入すると共に、誘導コイルに高周波発振機から高周波を供給して、閉空間に誘導プラズマを発生させる様に成したプラズマ発生装置におけるプラズマへの投入電力測定システムあって、次の手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
（１）高周波発振機を冷やすために導入される冷却水の温度を検出する検出器
（２）高周波発振機電力の冷却に使われた冷却水の温度を検出する検出器
（３）（１）及び（２）の検出器で検出された各検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する算出器
（４）高周波発振機の冷却に使用された冷却水量を検出する流量計
（５）（３）の算出器で算出された冷却水の昇温度値と（４）の流量計で検出された冷却水量の積を算出する掛算器
（６）誘導コイルを冷やすために導入される冷却水の温度を検出する検出器
（７）誘導コイルの冷却に使われた冷却水の温度を検出する検出器
（８）（６）と（７）の検出器で検出された各検出値に基づいて冷却水の昇温度値を算出する算出器
（９）誘導コイルの冷却に使用された冷却水量を検出する流量計
（１０）（８）の算出器で算出された冷却水の昇温度値と（９）の流量計で検出された冷却水量の積を算出する掛算器
（１１）（５）と（１０）の掛算器で算出された各積の和を算出する加算器
（１２）高周波発振機に必要な直流電力から（１１）の加算器で算出された和を差し引いた値を出力する減算器
【００２３】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の原理について説明する。
【００２４】
図２は、高周波電源として真空管式のものを使用した場合において、トーチ内にプラズマ発生用ガスを流し、誘導コイルに高周波を供給して、トーチ内にプラズマを発生させた時の等価回路を示す。尚、図１で使用した記号と同一記号を付したものは同一構成要素を示す。
【００２５】
図中１１は真空管、１２は真空管に必要な直流電源である。
【００２６】
さて、この様なプラズマ発生装置のエネルギーの収支は、大凡、次の様になる。
【００２７】
真空管１１に必要な直流電力（即ち、陽極電圧×陽極電流）を、源となるエネルギーとすると、このエネルギーは次の４つの部分で次の割合で消費される。
【００２８】
▲１▼真空管１１の陽極損失：約３０％
▲２▼誘導コイル２の損失：約５％
▲３▼グリッド抵抗や整合コンデンサ４等での損失：約１〜２％
▲４▼プラズマに投入される電力：約６３〜６４％
ここで、▲３▼の損失は▲１▼，▲２▼の損失に比べて小さいので、真空管１１に必要な直流電力（即ち、陽極電圧×陽極電流）から前記▲１▼，▲２▼の損失を差し引けば、大凡のプラズマに投入される電力を知ることが出来る。
【００２９】
所で、一般に、真空管１１及び誘導コイル２は冷却水により強制的に冷却されている。従って、真空管１１、誘導コイル２各々での冷却水量と昇温値を測定し、冷却水量と昇温値の積から▲１▼の真空管１１の陽極損失、▲２▼の誘導コイル２の損失を求めることが出来る。
【００３０】
以下、図面を参照して本発明の実施の態様の形態を詳細に説明する。
【００３１】
図３は本発明の電力測定方法を実施した電力測定システムのブロツク図を示す。
【００３２】
図中２１は真空管で、冷却容器２２に収容されている。２３は冷却水導入路、２４は冷却水排出路で、冷却水導入路２３の冷却容器２２に近い部分に水温検出器２５が取り付けられており、冷却水排出路２４の冷却容器２２に近い部分に水温検出器２６及び流量計２７が取り付けられている。
【００３３】
２８は水温検出器２５及び２６がそれぞれ検出した温度の差を算出する昇温度値算出器である。
【００３４】
２９は流量計２７が検出した冷却水の流量値と昇温度値算出器２８が算出した昇温度値の積を算出する掛算器である。
【００３５】
３１は誘導コイルで、パイプ状に形成されており、一方の端部に冷却水導入路３２、他方の端部に冷却水排出路３３が繋がっている。冷却水導入路３２の誘導コイル３１に近い部分に水温検出器３４が取り付けられており、冷却水排出路３３の誘導コイル３１に近い部分に水温検出器３５及び流量計３６が取り付けられている。
【００３６】
３７は水温検出器３４及び３５がそれぞれ検出した温度の差を算出する昇温度値算出器である。
【００３７】
３８は流量計３６が検出した冷却水の流量値と昇温度値算出器３７が算出した昇温度値の積を算出する掛算器である。
３９は前記掛算器２９と３８の和を算出する加算器である。
【００３８】
４０，４１はそれぞれ、真空管２１の陽極電圧、陽極電流の検出器、４２は検出された陽極電圧と陽極電流の積を算出する掛算器である。
【００３９】
４３は該掛算器４２と前記加算器３９の差を算出する減算器、４４は該減算器の出力を表示する表示器である。
【００４０】
この様な構成の電力測定システムを、真空管式高周波電源を備えたプラズマ発生装置に応用した場合についての動作は次の通りである。
【００４１】
誘導コイル３１が巻かれたトーチ（図示せず）内にアルゴンの如きプラズマ発生用ガスを流し、該誘導コイル３１に真空管２１から高周波を供給すると、トーチ（図示せず）内でプラズマ発生用ガスが電離し、プラズマが発生する。
【００４２】
この時、導入路２３に導入された冷却水は冷却容器２２を通って排水路２４に排出されている（実際には、導入路２３から冷却容器２２及び排水路２４を通った冷却水は再び導入路２３に戻って冷却容器２２と排水路２４に循環する様に成っており、排水路２４の途中に循環ポンプと冷却器が設けられている）。同様に、導入路３２に導入された冷却水は誘導コイル３１内を通って排水路３３に排出されている（実際には、導入路３２から誘導コイル３１及び排水路３３を通った冷却水は再び導入路３２に戻って誘導コイル３１と排水路３３に循環する様に成っており、排水路３３の途中に循環ポンプと冷却器が設けられている）
従って、真空管２１と誘導コイル３１は冷却水により冷却され、一定の温度に保たれている。
【００４３】
同時に、水温検出器２５は冷却容器２２に入る冷却水の温度を検出しており、水温検出器２６は冷却容器２２から出てきた冷却水の温度を検出しており、昇温度値算出器２８は、後者の温度と前者の温度の差を算出している。
【００４４】
又、流量計２７は冷却容器２２に入った冷却水が冷却容器２３を出て行く時間を想定して、想定される時間に流れる冷却水の量を測っている。
【００４５】
掛算器２９は前記昇温度値算出器２８が算出した冷却水の昇温度値と流量計２７が計測した昇温に与った冷却水の量の積を算出する。この積は、真空管２１の陽極損失に対応する。
【００４６】
又、同時に、水温検出器３４は誘導コイル３１に入る冷却水の温度を検出しており、水温検出器３５は誘導コイル３１から出てきた冷却水の温度を検出しており、昇温度値算出器３７は、後者の温度と前者の温度の差を算出している。
【００４７】
又、流量計３６は誘導コイル３１に流れる単位時間当たりの冷却水の量を測っている。
【００４８】
掛算器３８は前記昇温度値算出器３７が算出した冷却水の昇温度値と流量計３６が計測した昇温に与った冷却水の量の積を算出する。この積は、誘導コイル３６の損失に対応する。
【００４９】
前記両掛算器２９と３８の出力は加算器３９で加算されるので、加算器３９の出力は真空管２１の陽極損失と誘導コイル３６の損失の和に対応する。
【００５０】
一方、真空管２１の陽極電圧は陽極電圧検出器４０によって検出され、真空管２１の陽極電流は陽極電流検出器４１によって検出される。掛算器４２は各々の検出器の積を算出する。この算出値は、真空管２１の直流電力（即ち、陽極電圧×陽極電流）に対応する。
【００５１】
減算器４３は、前記掛算器４２からの出力と前記加算器３９からの出力の差を算出する。この算出値はプラズマに投入される電力に対応しており、この電力値は表示器４４に表示される。
【００５２】
この様に、高電位にある誘導コイルによって発生するプラズマに投入される電力を、誘導コイルに印加されている高電圧や電流を測定することなく、安全に且つ簡単に測定することが出来る。
【００５３】
尚、前記例は、真空管式高周波電源を備えたプラズマ発生装置に応用した場合について説明したが、トランジスタ式高周波電源を備えたプラズマ発生装置にも応用可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】トーチ内にプラズマ発生用ガスを流し、誘導コイルに高周波を供給して、トーチ内にプラズマを発生させた時の等価回路を示す。
【図２】高周波電源として真空管式のものを使用した場合において、トーチ内にプラズマハツセイ用ガスを流し、誘導コイルに高周波を供給して、トーチ内にプラズマを発生させた時の等価回路を示す
【図３】本発明の電力測定方法を実施した電力測定システムのブロツク図を示す。
【番号の説明】
１…高周波電源
２…誘導コイル
３…トーチ
４…共振用整合コンデンサ
１１…真空管
１２…直流電源
２１…真空管
２２…冷却容器
２３，３２…導入路
２４，３３…排出路
２５，２６，３４，３５…水温検出器
２７，３６…流量計
２８，３７…昇温度値算出器
２９，３８…掛算器
３１…誘導コイル
３９…加算器
４０…陽極電圧検出器
４１…陽極電流検出器
４２…掛算器
４３…減算器
４４…表示器
【図１】
2005019023.tif 000003
【図２】
2005019023.tif 000004
【図３】
2005019023.tif 000005